全生命期BIM技术在城奥大厦工程中的研究与应用

文/北京城建亚泰建设集团有限公司 付勇攀 张东蛟 马祎斌 武凤涛 董佳节 费 恺 李 萌

0 引言

在我国，BIM最初主要应用在项目设计阶段，以实现方案优化、专业协同等功能。随着BIM技术的成熟与应用，其在建筑运维阶段及全生命周期管理等方面也表现出突出的优势。

BIM集成了所有几何模型信息功能要求及构件性能，利用独立的建筑信息模型涵盖建筑项目全生命期内的所有信息，采用BIM技术可使整个工程项目在设计、施工及运营维护等阶段有效实现资源计划建立、资金风险控制、能源与成本节约、污染降低和效率提升。应用BIM技术能改变传统项目管理理念，引领建筑信息技术向更高层次迈进，从而大大提高建筑管理集成化程度。

本文以城奥大厦工程为例，阐述BIM技术从项目设计、施工到运营等阶段的全生命期应用，探讨BIM技术在提高施工效率、节约时间与成本等方面的作用。

1 城奥大厦项目概况

1.1 工程概况

城奥大厦位于北京市朝阳区奥体南区中央公园东北角，毗邻2022年冬奥会运动员村。总建筑面积69929m2，建筑高度95m，地上19层。建筑整体造型独特，外框结构呈类圆、非线性、双曲面、大拇指形状，主体采用钢框架-钢筋混凝土核心筒结构。

1.2 工程重难点

城奥大厦外形神似竖起的“大拇指”，是国内设计团队原创的非线性复杂地标性建筑，内部中庭，边庭挑空，空间灵动，从设计到施工整个阶段采用参数化设计模式进行控制，在形体建造上依靠计算机辅助制造技术（CAM），力求达到国际水准并成为复杂建筑的设计典范（见图1）。

1.2.1 异形钢结构复杂

本工程含转换节点、V形柱、弧形梁、齿形板等众多异形钢构件，且构件截面尺寸较大。边庭结构由弧形箱形构件、弧形组合水平桁架等组成，整体外形逐渐内倾，跨度较大，且内部设置2条空间曲形坡道。边庭结构整体通过三角骨架、拉索与主体结构相连接。结构顶部设计为双层不规则球形穹顶，最大跨度33m，由于钢结构设计空间位置无标准形式，复杂的外形决定了其施工难度大。

1.2.2 幕墙体系多且复杂

城奥大厦幕墙体系设计新颖，主要分内外2个幕墙区，涉及标准垂直、斜向幕墙，屋顶斜幕墙、边庭幕墙、屋盖金属幕墙等10余种，加工及安装要求高。

1.2.3 机电管综工程量大

建筑平面与结构梁柱关系变化较大，机电布置每层平面均不相同，弧形排布机电管综工程量大，施工难度增加。

1.3 采用BIM技术的必要性

1）钢结构设计复杂，异形构件多，每根柱的倾斜角度均不同，使用BIM技术可对结构体系进行精确定位，保证施工精度。

2）复杂节点较多，采用BIM技术进行加工、制作，并进行工艺视频模拟，效果直观。

3）幕墙体系复杂，无标准形式，可结合BIM技术进行精准建模和施工深化。

4）机电系统复杂，均为不规则弧形布置，排布、安装难度大，运用BIM技术可进行管综调整并指导施工。

2 城奥大厦BIM技术全生命周期应用

2.1 BIM全生命周期应用策划

城奥大厦项目BIM团队由建设方、设计方及施工方共同组建，分3级管理。各方选派专人进行BIM管理，管理员稳定在14人，并配备1个3人组成的专业BIM运行日常维护管理部，同时对实施过程中的需求进行填补。

结合BIM管理组织架构，制定BIM技术工作指导流程，形成《城奥大厦全生命期BIM应用策划》及《城奥大厦全生命期BIM应用实施方案》等相关管理指导文件，用于总体把控项目BIM应用方向及指导各参与方协同工作，提高工作效率，完善管理制度。

2.2 BIM在设计阶段的应用

2.2.1 BIM平台架构

前期和中期根据项目特点选取不同操作平台进行控制，最后统一整合。由于此项目为复杂非标准建筑，因此方案设计过程中采用曲面建模软件进行几何控制，利用BIM技术完成所有自由曲线曲面的优化工作，随着方案深入进行全三维模型建立。

2.2.2 BIM数字化建模

通过BIM中心模型理念，将设计理念全面渗透到整个项目周期中，为保证最终完成度，所有模型管理以设计方中心模型为初始模型，模型最大重用化为原则，保障BIM模型传递的一致性和准确性。

2.3 BIM在施工阶段的应用

2.3.1 三维场地布置

现场采用三维动态模拟场地布置（见图2），按照工程进度实施调控，科学调配材料周转，充分利用场地；同时做到安全防护设施可视化，以便现场管理、落实。

图1 城奥大厦外观效果

图2 施工场地布置

2.3.2 辅助精细化施工

2.3.2.1 施工方案模拟

1）吊装方案模拟 利用BIM技术进行吊装方案模拟，采用最优措施，保证施工质量和安全。

2）内外穹顶钢结构安装模拟 该部位结构复杂，经多次专题会议研究，确定穹顶封闭施工安装顺序，按照先内后外、中心对称、协同安装的原则进行施工，防止整体变形，提高施工质量（见图3）。

3）蛇形坡道钢结构安装模拟 建筑南侧蛇形坡道为空间弯扭箱形结构，旋转坡道弯扭箱形构件空间位置复杂、内部加劲板纵横，坡道通过三角形骨架及拉索与主体结构连接固定，施工工艺复杂，同时因施工场地限制，需前期进行施工方案模拟，以保证施工效率（见图4）。

4）针对幕墙封闭方案，利用BIM模型进行可视化分析，通过立体建模进行脚手架及操作平台挂篮搭设方案选定，并根据模型方案进行实施（见图5）。

2.3.2.2 复杂节点工艺模拟

通过BIM技术应用，优化劲性结构复杂节点，确定钢筋排布与钢骨定型加工，优化混凝土导流、振捣措施，保证施工可行性（见图6）。

2.3.2.3 机电深化设计指导施工

针对复杂的机电系统排布，从管线碰撞检查开始逐步进行管线综合调整，同时通过真人模拟漫游体验管线综合排布和净高优化效果及机房管井布置合理性，确定最终模型，指导现场施工（见图7）。

2.3.2.4 VAV空调系统虚拟调试

使用MagiCAD针对标准层VAV空调系统风量平衡进行计算，经校核无误后指导现场安装。

2.3.3 信息化管理

1）建立数据库 应用BIM技术通过关联模型构件各种信息，建立数据库，使参加施工建设的人员可通过PC端和移动客户端随时查看与调用工程模型信息。

2）模拟进度计划 将project导入模型，实现总控进度与实际进度的对比，然后导入沙盘进度进行模拟，构件在不同阶段不同状态下的现场情况被定义成不同颜色，以实时反映现场实际情况（见图8）。

3）质量安全管理 参施单位全部使用BIM平台协作管理。对现场发现的安全、质量问题通过计算机或手机客户端建立协作，定位到点，追踪责任人限期及时处理。

4）变更洽商文档管理 由各专业BIM管理员负责将签字确认的设计变更洽商上传至平台，并与模型构件相关联。设计变更对应的模型修改由设计方完成，经建设单位相关负责人会签后上传至平台。

图3 内外穹顶钢结构安装模拟与现场安装对比

图4 蛇形坡道钢结构安装模拟

图5 幕墙安装施工方案拟定

图6 钢骨柱施工工艺模拟

图7 机电管综调整与模拟

5）全员参与，数据共享 制定BIM应用审核标准及BIM周例会制度，每周召开BIM例会并安排专人撰写会议纪要，将本工程的BIM应用全员参与落到实处。

2.4 BIM在运维阶段的应用

运维阶段是在建筑全生命期中时间最长、管理成本最高的重要阶段。BIM技术在运维阶段应用的目的是提高管理效率、提升服务品质及降低管理成本，为设施的保值增值提供可持续解决方案。

2.4.1 基于BIM建立运维模型库

城奥大厦模型库包括土建模型、机电深化设计模型、幕墙模型及钢结构模型。其中机电深化设计模型包括管综模型、暖通系统模型、空调水模型、给排水模型、消防模型、强电模型及机房空间优化模型等。

模型库与工程实体保持一致，可查看模型中的族、模板及建模标准等，为后续工程提供参考。

2.4.2 基于BIM建立运维平台体系

通过BIM平台对集成平台上的监控对象进行监控，获得系统模型数据、人员数据、属性数据和文档资料等，运维平台通过综合BIM运维系统、数据接入协议、集成系统、集成协议及弱配电子系统等，实现门禁视频、能源消耗、照明系统等管理功能，可更好地提升运维效果。

2.4.3 基于BIM的运维接口协议

BIM运维利用Web Service或OPC提供数据，根据子系统提供数据的能力采用多种不同的数据集成协议，实现集成管理和系统的联动（见图9）。

2.4.4 基于BIM的能源管理

通过运维平台实现按类别、时间、楼层进行能源消耗统计。

图8 模拟进度计划

图9 运维接口协议

3 结语

BIM技术在城奥大厦是全生命期、全过程及全员参与的应用。其中全生命期是指BIM技术在设计阶段、施工阶段、运维阶段的应用；全过程是指应用BIM技术形成数据积累，丰富企业工程项目数据库；全员参与是指项目各参建方人员全员参与。

由建设单位牵头推动BIM全生命期管理应用，加强了各参建方的联系，促进BIM管理应用更有效的落地，有利于BIM管理应用的普及；通过BIM管理平台明确重大危险源，做好安全防护，结合VR技术对施工人员进行虚拟体验式安全交底，提高项目管理人员及工人的安全生产意识，避免发生重大安全事故。该项目地处奥体核心区，建设方采用BIM技术实施智慧建造、绿色施工，打造区域地标建筑，并承担应有的社会责任。全生命期BIM技术应用，为城奥大厦的开发及运营创造了巨大的效益，真正实现了“多、快、好、省”的开发愿景。